交互體驗(yàn)式建筑構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的創(chuàng)新研究

◆姚 玨 張林文君

(浙江理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院)

交互體驗(yàn)式建筑構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的創(chuàng)新研究

◆姚 玨 張林文君

(浙江理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院)

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為加強(qiáng)藝術(shù)類實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。本文通過(guò)介紹2011年第十屆浙江省大學(xué)生多媒體作品設(shè)計(jì)競(jìng)賽的參賽作品“虛擬建構(gòu)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)軟件的研發(fā)與制作過(guò)程，嘗試探索虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與高等藝術(shù)教育、藝術(shù)實(shí)踐教學(xué)結(jié)合的全新模式。

虛擬實(shí)驗(yàn) 藝術(shù)實(shí)踐 建筑 構(gòu)造

隨著計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI在藝術(shù)類高校教學(xué)中的深入實(shí)踐，運(yùn)用多媒體制作課件在藝術(shù)教學(xué)或?qū)嶒?yàn)中亦越來(lái)越廣泛。以往傳統(tǒng)藝術(shù)教學(xué)課件的形式大致有:黑板粉筆板書、透明幻燈片投影、教學(xué)掛圖等。近年來(lái)，多媒體制作技術(shù)的極大發(fā)展促進(jìn)了藝術(shù)教學(xué)課件走向可視化、網(wǎng)絡(luò)化、互動(dòng)化，徹底顛覆了傳統(tǒng)意義上的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式和教學(xué)效果。

1 高等藝術(shù)實(shí)踐教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新

虛擬實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)代教育理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)多媒體技術(shù)來(lái)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與過(guò)程，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕虒W(xué)平臺(tái)，這是一種新型的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)模式。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)環(huán)境能提供學(xué)生自由配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器沒(méi)備來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它具有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)建沒(méi)速度快、更新率高的優(yōu)勢(shì)，并有使用方便、成本低、易于拓展等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)推廣有限，大都集中運(yùn)用在在理工類學(xué)科領(lǐng)域，如數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、機(jī)械傳動(dòng)類實(shí)驗(yàn)、物理化工實(shí)驗(yàn)等。

我國(guó)2000余所高等院校有70%設(shè)置藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)，在校生達(dá)150萬(wàn)，每年約15萬(wàn)人畢業(yè)，中國(guó)的藝術(shù)設(shè)計(jì)教育規(guī)模占全球第一。但藝術(shù)設(shè)計(jì)還是新興學(xué)科，存在院校之間學(xué)科體系雷同、課件保守陳舊、實(shí)踐教學(xué)模式、內(nèi)容雷同，課程整合聯(lián)動(dòng)性差、教學(xué)資源管理粗放等問(wèn)題。以虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的研發(fā)與使用為切入點(diǎn)，探索高等藝術(shù)教育實(shí)踐教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新，并利用計(jì)算機(jī)、多媒體及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)藝術(shù)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)情景，不僅可以有效地改善藝術(shù)類高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源嚴(yán)重短缺和分布不均的現(xiàn)狀，而且可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件研發(fā)多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，結(jié)合藝術(shù)設(shè)計(jì)的圖形表達(dá)、用戶界面設(shè)計(jì)和人機(jī)交互技術(shù)，研究虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的對(duì)象建模和表現(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)藝術(shù)設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源信息的安裝平臺(tái)，建立開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化的藝術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，支持多用戶多虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的交叉反饋與協(xié)同。從根本上解決網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育中藝術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法實(shí)施的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 “虛擬建筑構(gòu)造實(shí)驗(yàn)”教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)思路

2.1 軟件介紹及制作目的

以環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)課程《建筑構(gòu)造》為主題研發(fā)“虛擬建筑構(gòu)造實(shí)驗(yàn)”教學(xué)軟件為例，展開(kāi)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在藝術(shù)學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)?！疤摂M建構(gòu)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)軟件是2011年第十屆浙江省大學(xué)生多媒體作品設(shè)計(jì)競(jìng)賽的參賽作品，并獲得了優(yōu)異成績(jī)。

建筑構(gòu)造是環(huán)境藝術(shù)專業(yè)學(xué)生接觸的第一門專業(yè)課程，是專業(yè)學(xué)習(xí)的入門課。針對(duì)建筑構(gòu)造課傳統(tǒng)理論教學(xué)手法單一、知識(shí)枯燥、抽象的三維空間難以理解、理論與實(shí)際脫節(jié)等教學(xué)弊端，尤其重點(diǎn)解決學(xué)生對(duì)真實(shí)的建筑物結(jié)構(gòu)施工過(guò)程了解的不足和傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)知的匱乏，通過(guò)“虛擬建構(gòu)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)軟件可以使學(xué)生們足不出戶即可身臨其境地感知各種建筑物的實(shí)際施工過(guò)程與其結(jié)構(gòu)關(guān)系。并且學(xué)生必須能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行虛擬搭建實(shí)驗(yàn)，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行自由構(gòu)思和設(shè)計(jì)，這種全新的實(shí)踐教學(xué)模式將激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

虛擬建筑構(gòu)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件采用了Flash、SketchUp、3D max、Photoshop等軟件技術(shù)進(jìn)行研發(fā)制作，使用了大量的動(dòng)畫影片和交互元素，發(fā)揮了虛擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)的可操作性和可控制性。軟件研發(fā)的核心技術(shù)應(yīng)用了Action Script程序語(yǔ)言技術(shù)和3D max三維建模技術(shù)，提高虛擬實(shí)驗(yàn)的逼真度，形成多維交互的教學(xué)平臺(tái)。

2.2 軟件研發(fā)的重點(diǎn)和亮點(diǎn)

(1)基于三維圖形的虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象建模與表現(xiàn)技術(shù)

①通過(guò)虛擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)文字教學(xué)、視頻認(rèn)知、全景漫游、實(shí)驗(yàn)搭建等強(qiáng)大的功能集成化。

②智能一鍵導(dǎo)航的創(chuàng)作靈感來(lái)自汽車導(dǎo)航儀，方便快捷的操作減少了很多選擇菜單的麻煩。軟件中強(qiáng)大的智能導(dǎo)航鍵能根據(jù)場(chǎng)景的不同轉(zhuǎn)換功能，能夠在任何界面下滿足各類需求。用戶可以使用鍵盤方向鍵切換教學(xué)內(nèi)容、轉(zhuǎn)換虛擬漫游視角、切換分類界面等。相比PowerPoint課件，雖然也能使用方向鍵進(jìn)行頁(yè)面切換，但是沒(méi)有其他功能性。本課件中一直使用右方向鍵可以按照預(yù)定教學(xué)順序?yàn)g覽界面?，F(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件中，應(yīng)用導(dǎo)航鍵設(shè)計(jì)的案例幾乎處于空白。

③全景平臺(tái)背景。全景模式能夠較好的滿足視覺(jué)需求。平臺(tái)背景與全景體驗(yàn)教學(xué)使用的是同一種技術(shù)，動(dòng)態(tài)的背景比普通的單一背景更顯生動(dòng)。

④智能助手模式。小助手實(shí)時(shí)出現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中提供學(xué)生實(shí)驗(yàn)所需的提示，軟件使用感覺(jué)交互性強(qiáng)、親近感良好。現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用助手的案例也極少。

⑤優(yōu)美視覺(jué)感受。軟件所有控件都進(jìn)行了美化，符合現(xiàn)代審美需求。外觀風(fēng)格緊緊圍繞建筑設(shè)計(jì)中主流的現(xiàn)代風(fēng)格，在給人以大氣感受的同時(shí)還能激發(fā)創(chuàng)新靈感。

⑥典雅背景音樂(lè)。背景音樂(lè)采用了門德?tīng)査傻男√崆賲f(xié)奏曲，在不同功能場(chǎng)景下自動(dòng)切換樂(lè)章。典雅的音樂(lè)體現(xiàn)建筑的內(nèi)涵與精神，令人回味無(wú)窮。

(2)虛擬環(huán)境的漫游教學(xué)和人機(jī)交互技術(shù)

①虛擬漫游教學(xué)模式是通過(guò)學(xué)生能自由切換視角及點(diǎn)擊知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。學(xué)生能在全景漫游中真實(shí)感知虛擬場(chǎng)景中的建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)造細(xì)部等知識(shí)，是虛擬實(shí)驗(yàn)的主流模式。學(xué)生可以根據(jù)需要隨意選擇視角來(lái)觀察虛擬環(huán)境并點(diǎn)擊場(chǎng)景中的預(yù)備知識(shí)點(diǎn)。只需點(diǎn)擊就能直接鏈接相關(guān)知識(shí)，有效地解決了學(xué)生集體外出考察時(shí)間、天氣、地點(diǎn)等限制的弊端。虛擬漫游教學(xué)模式的技術(shù)是重點(diǎn)和難點(diǎn)，必須解決用戶能夠舒適的漫游體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。所以，利用360o全景技術(shù)取景攝制場(chǎng)景照片，容易出現(xiàn)照片高度不齊或透視角度變形等情況，必須反復(fù)拍攝并后期處理。另一難點(diǎn)是如何讓用戶掌控視角?只有在反復(fù)研究嘗試之后才實(shí)現(xiàn)了合理的視角和即時(shí)互動(dòng)的設(shè)計(jì)，最后結(jié)合導(dǎo)航鍵功能使即時(shí)互動(dòng)變得操作簡(jiǎn)便。

②虛擬搭建實(shí)驗(yàn)是該虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的核心。用戶可以在虛擬實(shí)驗(yàn)的功能平臺(tái)上自由搭建或按照實(shí)驗(yàn)規(guī)定操作。該模塊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用了較多的軟件技術(shù)，從3DMAX建模到Photoshop照片修整，以及FLASH中Action Script語(yǔ)言的應(yīng)用，每一項(xiàng)都包含著巨大的技術(shù)知識(shí)量。在3DMAX建模中，必須根據(jù)開(kāi)發(fā)的背景貼好材質(zhì)，并且要保證建模渲染圖的視角在正交模式下一致。Photoshop對(duì)渲染圖做細(xì)節(jié)修整，確保所有組件的三維效果基本一致。FLASH中Action Script代碼編寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的正常拖拽和復(fù)制，用戶可以根據(jù)需要建立新構(gòu)件，并且在Action Script技術(shù)支持下，建筑構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的組件面板、輔助網(wǎng)格、坐標(biāo)提示等經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期設(shè)計(jì)制作而成，飽含了人機(jī)工程學(xué)的原理。

(3)3D影片制作

3D影片的制作主要依托Autodesk 3D MAX 2011。制作影片的難點(diǎn)在于如何簡(jiǎn)化模塊讓用戶看得更加簡(jiǎn)潔明了，在制作每一段影片之前都需查閱大量書籍仔細(xì)構(gòu)思，精簡(jiǎn)內(nèi)容。在3D MAX中建三維模塊并且賦予材質(zhì)，然后根據(jù)需要設(shè)定好時(shí)間軸，以出現(xiàn)動(dòng)畫搭建效果。在渲染之前還需要對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，確保用戶觀看的舒適性并滿足教學(xué)需要。在渲染生成AVI影片后，需要使用Win MPG、Video Convert等軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，然后在FLASH中使用播放組件鏈接影片播放。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K分類

“虛擬建筑構(gòu)造實(shí)驗(yàn)”教學(xué)平臺(tái)基于由淺至深的梯度化教學(xué)，包括基礎(chǔ)知識(shí)概念、全景漫游認(rèn)知、虛擬建構(gòu)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新搭建平臺(tái)四大模塊。

①基礎(chǔ)知識(shí)概念。根據(jù)建筑構(gòu)造教學(xué)大綱以及知識(shí)鏈邏輯關(guān)系，分為八部分內(nèi)容:建筑基本構(gòu)造、地基基礎(chǔ)。墻體砌筑、樓板地面等，其中每一級(jí)知識(shí)鏈都有下一層的細(xì)分內(nèi)容，層次分明，節(jié)點(diǎn)完整。

②全景漫游認(rèn)知。以虛擬全景認(rèn)知代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)課，在真實(shí)場(chǎng)景的選擇上堅(jiān)持原創(chuàng)、持續(xù)更新和貼近生活的準(zhǔn)則，拍攝建筑物各階段各部分的全景照片，幫助學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)漫游環(huán)境中進(jìn)一步認(rèn)知。

③虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)搭建平臺(tái)是該軟件的主體部分，是學(xué)生自主完成題庫(kù)中實(shí)驗(yàn)題的過(guò)程。學(xué)生首先根據(jù)題目要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，然后從界面右側(cè)的構(gòu)件欄中選擇構(gòu)件進(jìn)行搭建實(shí)驗(yàn)，完成后點(diǎn)擊［檢查］按鈕，平臺(tái)最后會(huì)根據(jù)學(xué)生的虛擬搭建過(guò)程與結(jié)果給出評(píng)價(jià)和提示。

④創(chuàng)新搭建平臺(tái)。創(chuàng)新搭建平臺(tái)是將是該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的無(wú)限拓展，是藝術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)自由創(chuàng)新的要求。該平臺(tái)提供正交視角，用戶可以自主選取構(gòu)件進(jìn)行搭建。構(gòu)件無(wú)需像3D MAX或Sketch Up軟件般輸入數(shù)據(jù)。用戶只需將預(yù)制的構(gòu)件從面板中拖出即可使用。

3 軟件制作核心技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)

①界面設(shè)計(jì)與組件制作

良好的操作界面能給用戶更深刻和舒適的體驗(yàn)，虛擬建構(gòu)實(shí)驗(yàn)的操作界面主要分為三大塊:搭建界面、構(gòu)件面板、導(dǎo)航按鈕。搭建用戶界面設(shè)計(jì)選用Photoshop和Coreldraw軟件技術(shù)，用戶能根據(jù)二維的圖形體驗(yàn)到三維的虛擬效果。構(gòu)建面板中主要內(nèi)容為各建筑構(gòu)造的構(gòu)件和材料放置區(qū)。構(gòu)件使用3DS MAX進(jìn)行制作然后導(dǎo)成平面圖形后插入FLASH中的構(gòu)件板中。構(gòu)件面板色調(diào)采用深淺相間的形式，能使構(gòu)建更清晰展示和用戶的更便捷選取。材料放置區(qū)主要為用戶提供一個(gè)臨時(shí)放置構(gòu)件或放置廢棄構(gòu)建的場(chǎng)所，該區(qū)域中用戶可隨心所欲的將構(gòu)件拖入或拖出拼搭界面。不同大小的構(gòu)件可通過(guò)基本構(gòu)件多次拼接實(shí)現(xiàn)，視覺(jué)感官體驗(yàn)感強(qiáng)，用戶點(diǎn)擊場(chǎng)景中構(gòu)件即可使其置頂。構(gòu)建面板是建筑構(gòu)造的構(gòu)件和材料放置區(qū)。導(dǎo)航欄主要與建筑構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主模塊相銜接，功能與使用方法都與主模塊中相同。導(dǎo)航欄主要起到返回主模塊的作用，用戶在任意一題情況下，點(diǎn)擊“返回”即可進(jìn)入主模塊中。

②AS代碼編寫

虛擬建構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件主要使用AS代碼編寫，虛擬搭建場(chǎng)景需編寫復(fù)制命令，如下:

編寫構(gòu)件代碼可復(fù)制命令，主要利用新建影片剪輯的技術(shù)，當(dāng)點(diǎn)擊構(gòu)件后，可激活在拼搭場(chǎng)景內(nèi)的復(fù)制命令，復(fù)制新影片剪輯:

輔助功能是提示板和小助手。提示板功能是顯示實(shí)驗(yàn)題和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)，該功能通過(guò)制作影片剪輯構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。小助手實(shí)時(shí)提示使用方法，拖動(dòng)小助手可使其移動(dòng)位置。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為加強(qiáng)藝術(shù)類實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，它在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的各種制約和弊端，有效地解決目前藝術(shù)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，達(dá)到教育資源的優(yōu)化、教學(xué)質(zhì)量的提高。通過(guò)藝術(shù)設(shè)計(jì)及技術(shù)研發(fā)，制作了建筑構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，并以基于真實(shí)場(chǎng)景的虛擬全景漫游為載體，進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)虛擬建構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)，推動(dòng)了我校藝術(shù)設(shè)計(jì)各專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的進(jìn)程。但該軟件建設(shè)還處于探索和實(shí)踐階段，引用拓展方面仍有局限性，交互體驗(yàn)式建筑構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件是藝術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革的一次全新探索。

中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì)教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目:創(chuàng)新性藝術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)模式的改革與實(shí)踐(編號(hào)FZJG1115)。